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Prototyp des optischen Chips wie er in QUICK³ verwendet wird.
Foto: Sebastian Ritter (Universität Jena)Herzstück ist eine Quantenlichtquelle basierend auf einem 2D-Material, was erstmals in einem Kleinstsatelliten getestet wird. Das Institut für Angewandte Physik (IAP) der Friedrich-Schiller-Universität Jena entwickelte dazu zentrale Komponenten.
In der Nacht zum Dienstag, den 24. Juni startete der Satellit eines internationalen Forschungskonsortiums unter Leitung von Prof. Tobias Vogl (TU München) mit einer Trägerrakete vom kalifornischen Vandenberg in die Umlaufbahn. Erste Ergebnisse der Mission werden bereits Ende des Jahres erwartet.
Nicht größer als ein Schuhkarton und etwa vier Kilogramm schwer ist der QUICK³-Satellit. Seine Mission: Komponenten für die Quantenkommunikation zu testen, um Daten absolut abhörsicher vom Absender zum Empfänger zu übertragen. Anders als bei der klassischen Kommunikation über Glasfaserkabel stecken die Informationen, die ein Quantenkommunikations-Satellit sendet, nicht in Lichtimpulsen aus vielen Photonen, sondern in einzelnen, exakt definierten Lichtteilchen. Diese befinden sich dabei in sogenannten Quantenzuständen, die die Übertragung der Daten absolut sicher machen. Jeder Abhörversuch verändert den Zustand der Photonen und wird dadurch sofort erkannt. Da sich die einzelnen Lichtteilchen weder kopieren noch verstärken lassen, ist deren Reichweite in Glasfasern auf wenige 100 Kilometer begrenzt. Satellitengestützte Quantenkommunikation nutzt deshalb die besonderen Eigenschaften der Atmosphäre: In höheren Luftschichten wird das Licht kaum noch gestreut oder absorbiert – ideale Bedingungen für eine sichere Datenübertragung über weite Distanzen.
Um Quantenkommunikation zukünftig im Alltag nutzen zu können, sind mehrere hundert Satelliten notwendig, die wie ein Netz über die Erde gespannt sind. Die QUICK³-Mission soll aber zunächst zeigen, ob die einzelnen Komponenten des Nanosatelliten auch den Bedingungen im All standhalten und erfolgreich miteinander interagieren.
Lukas Wiese mit dem QUICK³-Satelliten während der Tests.
Foto: Philipp Werner (TU Berlin)
Das Institut für Angewandte Physik (IAP) der Friedrich-Schiller-Universität Jena war sehr früh in die Entwicklung und Integration der Schlüsselkomponenten integriert: Prof. Tobias Vogl, vormals Leiter der AG Integrierte Quantensysteme am IAP, betont:
»Am IAP wurden die Quantenlichtquelle entwickelt und integriert, sowie der optische Teil der Nutzlast (mit Ausnahme des Lasers) gebaut und getestet. Diese Arbeiten wurden in der Arbeitsgruppe um Falk Eilenberger begonnen und durch meine dort aufgebaute Forschungsgruppe weitergeführt.«
Hier am Beutenberg in Jena wurde diese Technologie aufgebaut und umfassend getestet – ein Meilenstein, der auch durch die Auszeichnung von Prof. Vogl am IAP durch den Nachwuchswissenschaftspreis des Beutenberg Campus e.V. gewürdigt wurde.
Projekte wie QUICK³ sind umso erfolgreicher, je mehr Expertisen anderer Forschenden hinzugezogen werden: zusammen mit der Technischen Universität München (TUM) wurde der Satellit auch maßgeblich mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Ferdinand-Braun-Instituts, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) und der TU Berlin (TUB) entwickelt, zusammen mit internationalen Partnern am Institute for Photonics and Nanotechnologies (CNR-IFN) in Italien sowie der National University of Singapore (NUS).
»Wir testen bei dieser Mission erstmals Einzelphotonentechnologie für Kleinst-Satelliten.«, sagt Tobias Vogl, Professor für Quantum Communication System Engineering und Leiter des Projekts. »Aktuell gibt es weltweit kein vergleichbares Projekt. Entweder sind die Satelliten deutlich schwerer und damit teurer oder die Satelliten arbeiten laserbasiert, wodurch die Datenrate erheblich sinkt. Die Übertragungsgeschwindigkeit ist ein wichtiger Vorteil unseres Systems, denn Satelliten haben pro Erdumrundung nur wenige Minuten Sichtkontakt zu den Bodenstationen.«
Das zweite Ziel der Mission ist die Überprüfung der Born’schen Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Wellenfunktion in der Schwerelosigkeit. Sie beschreibt, mit welcher Wahrscheinlichkeit ein Quantenteilchen bei einer Messung an einem bestimmten Ort gefunden wird – ein zentrales Konzept der Quantenmechanik. Ob diese Regel auch unter Weltraumbedingungen uneingeschränkt gilt, ist bislang noch nicht experimentell überprüft worden.
Lukas Wiese, Kabilan Sripathy, Josefine Krause und Philipp Werner vom QUICK³-Konsortium während der Qualifikationstest. Im Hintergrund ist die Nutzlast in einer Thermal-Vakuum-Kammer.
Foto: QUICK³-KonsortiumWissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Dr. Tobias Vogl
Technische Universität München
Professur für Quantum Communication System Engineering
tobias.vogl@tum.de
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Kontakt zum TUM Corporate Communications Center:
Julia Rinner
Pressereferentin
+49 (89) 289 – 10516
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